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Vorlesung, 18. Okt. 2012 - 1 Ökophysiologie Biochemische und zellphysiologische Aspekte der Anpassung an Standortfaktoren Vorlesung im Blockkurs Pflanzenbiologie,

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Präsentation zum Thema: "Vorlesung, 18. Okt. 2012 - 1 Ökophysiologie Biochemische und zellphysiologische Aspekte der Anpassung an Standortfaktoren Vorlesung im Blockkurs Pflanzenbiologie,"—  Präsentation transkript:

1 Vorlesung, 18. Okt Ökophysiologie Biochemische und zellphysiologische Aspekte der Anpassung an Standortfaktoren Vorlesung im Blockkurs Pflanzenbiologie, Teil Ökophysiologie, Symbiose Thomas Boller Botanisches Institut der Universität Basel Hebelstrasse 1, 4056 Basel Gesamttitel

2 Vorlesung, 18. Okt Wasser Skript – p. 25 Titel Wasser

3 Vorlesung, 18. Okt Wasser-Klima arid humid aride Zonen (Wüsten) Mojave, Sonora etc. Atacama Sahara Kalahari Gobi Grosse Sand- wüste Wasser-Klima Skript – p. 26

4 Vorlesung, 18. Okt Nettoprimärproduktion global Unproduktiv: aride Zonen (Wüsten) Nettoprimärproduktion global (1) Skript – p. 38

5 Vorlesung, 18. Okt Nettoprimärproduktion global Produktiv: humide Tropen (Äquator) Nettoprimärproduktion global (2) Skript – p. 38

6 Vorlesung, 18. Okt Wasser-Klima Verhältnisse in Europa Wasser-Klima in Europa Skript – p. 26 arid humid

7 Vorlesung, 18. Okt Einfluss des Klimas auf Vegetation und Boden arid humid Einfluss des Klimas auf Vegetation und Boden Skript – p. 26

8 Vorlesung, 18. Okt Schaltkreis-Modell für den Wasser-Fluss in der Pflanze in Druckeinheiten: 10 bar = ca. 1 MPa Wasserpotentialgefälle Boden-Luft als Triebkraft für Wasser-Fluss Riesiger, regulierbarer Widerstand! Schaltkreis-Modell Skript – p. 27

9 Vorlesung, 18. Okt Wasserverhältnisse im Boden Feldkapazität (FC, field capacity): Wassergesättigter Boden Permanenter Welkepunkt (PWP): Trockener Boden Mpa ( bar) MPa (-15 bar) Verfügbares Wasser Wasserverhältnisse im Boden Skript – p. 27 SandLehmTon

10 Vorlesung, 18. Okt Wasserpotential auf der Ebene der Zelle Höfler-Diagramm w p s Plasmolyse Wasserverhältnisse in der Zelle Skript – p. 28

11 Vorlesung, 18. Okt Wasserpotential unter Feldbedingungen Prinzip: Konstanthalten des Turgors bei grossen Schwankungen von w Erholung des Turgors trotz Abnahme von w ! Osmoregulation: Akkumulation von "solutes" Wasserpotential unter Feldbedingungen Skript – p. 28

12 Vorlesung, 18. Okt Reaktionen auf Trockenstress Modulative Anpassung Reaktionen auf Trockenstress Skript – p. 29

13 Vorlesung, 18. Okt Xerophyten: Pflanzen, die an Trockenstress angepasst sind Escape: "...-meidend" (passiv) Avoidance: "...-verzögernd" (aktiv) Tolerance: "...-tolerant" Xerophyten Skript – p. 29

14 Vorlesung, 18. Okt Typische "Escape" "Die Wüste blüht" Typische Escape: Die Wüste blüht nicht im Skript

15 Vorlesung, 18. Okt Typische "Avoidance" Mammillaria humboldtii Typische Avoidance: Mammillaria nicht im Skript

16 Vorlesung, 18. Okt Typische "Tolerance" Craterostigma wilmsii Myrothamnus flabellifolius Typische Tolerance: Craterostigma

17 Vorlesung, 18. Okt Typische "Tolerance" Craterostigma wilmsii - trocken Typische Tolerance: Craterostigma

18 Vorlesung, 18. Okt Typische "Tolerance" Craterostigma wilmsii - 8 Stunden feucht Typische Tolerance: Craterostigma

19 Vorlesung, 18. Okt Typische "Tolerance" Myrothamnus flabellifolia - trocken Typische Tolerance: Craterostigma

20 Vorlesung, 18. Okt Typische "Tolerance" Myrothamnus flabellifolia - feucht Typische Tolerance: Craterostigma

21 Vorlesung, 18. Okt Morphologische Anpassungen an Trockenstress Nerium oleander Hypodermis eingesenkte Stomata Hemizonia luzulifolia Wasserspeicherung in den Interzellularen (Pectin-Gel) Zygophyllum simplex Wasserspeicher- Gewebe Morphologische Anpassungen Skript – p. 29

22 Vorlesung, 18. Okt Avoidance bei Wasserstress Oleander, Nerium Oleander (Apocynaceae) Avoidance: Nerium Oleander nicht im Skript

23 Vorlesung, 18. Okt Avoidance bei Wasserstress Hayfield tarweed, Hemizonia luzulifolia (Asteraceae) Avoidance: Hemizonia luzulifolia nicht im Skript

24 Vorlesung, 18. Okt Avoidance bei Wasserstress Zygophyllum simplex (Zygophyllaceae) Avoidance: Zygophyllum simplex nicht im Skript

25 Vorlesung, 18. Okt CAM - Paradebeispiel für "Avoidance" auf physiologischer Ebene CAM: Physiologische Avoidance Skript – p. 30

26 Vorlesung, 18. Okt CAM-Stoffwechsel: Grundlagen C3 CAM CAM-Grundlagen 1 Skript – p. 30

27 Vorlesung, 18. Okt CAM-Stoffwechsel: Grundlagen Zeitliche Trennung von Fixation und Assimilation Fixation von CO 2 (genauer: HCO 3 - ) Assimilation von CO 2 Wieder-Freisetzung von CO 2 Malat-Dehydrogenase PEP-Carboxylase Malat-Enzym Pyruvat-P-Dikinase CAM-Grundlagen 2 Skript – p. 30

28 Vorlesung, 18. Okt Fixationsprodukte im Dunkeln Fütterung von 14 CO 2 über Nacht (12 h!) 80-90% der Radioaktivität in Äpfelsäure Fixationsprodukte im Dunkeln Skript – p. 31

29 Vorlesung, 18. Okt Umsteuerung C3/CAM Kalanchoë blossfeldiana im Langtag: C3-Pflanze im Kurztag: CAM-Pflanze... mit etwas C3-Rest Umsteuerung C3 CAM möglich: modulative (genetisch fixierte) Anpassung an Tageslänge Umsteuerung C3/CAM Skript – p. 31

30 Vorlesung, 18. Okt Beispiel für eine "fakultative" CAM-Pflanze Kalanchoë blossfeldiana (Crassulaceae) Fakultativer CAM aus dem WWW

31 Vorlesung, 18. Okt Isotopen-Diskriminierung Prinzip: PEPC (Substrat HCO 3 - ) diskriminiert weniger zwischen 13 C/ 12 C als RBPC (Substrat CO 2 ) Klare Trennung C4/C3Bei CAM Übergänge zu C3 C3C4 Reduktion des C13-Isotopen Anteils gegenüber natürlicher Abundanz C13-Abundanz "normal": 1.1% C3C4 Isotopen-Diskriminierung Skript – p = 1.09%

32 Vorlesung, 18. Okt CAM - Paradebeispiel für "Konvergente Evolution" Titel "Konvergente Evolution" Skript – p. 32

33 Vorlesung, 18. Okt aus Raven et al., 2002 Euphorbia (Euphorbiaceae) Echinocereus (Cactaceae) Aus dem Lehrbuch... Hoodia (Asclepiadaceae) Aus dem Lehrbuch...

34 Vorlesung, 18. Okt Polyphyletischer Ursprung des CAM-Metabolismus Polyphyletischer Ursprung CAM Skript – p. 32

35 Vorlesung, 18. Okt Sukkulenz und CAM: Konvergente Evolution Crassula argentea nicht im Skript

36 Vorlesung, 18. Okt Sukkulenz und CAM: Konvergente Evolution Mammillaria humboldtii (Cactaceae, Caryophyllales) Mammillaria humboldtii nicht im Skript

37 Vorlesung, 18. Okt Sukkulenz und CAM: Konvergente Evolution Lithops, Lebende Steine (Aizoaceae, Caryophyllales) Lithops dorotheaeLithops rubri Lithops nicht im Skript

38 Vorlesung, 18. Okt Sukkulenz und CAM: Konvergente Evolution Euphorbia obesa (Euphorbiaceae, Euphorbiales) Euphorbia rosea nicht im Skript

39 Vorlesung, 18. Okt Sukkulenz und CAM: Konvergente Evolution Echidnopsis cereiformis (Apocynaceae, Gentianales) Echidnopsis cereiformis nicht im Skript

40 Vorlesung, 18. Okt Sukkulenz und CAM: Konvergente Evolution Aasblume, Stapelia gigantea (Asclepiadaceae, Gentianales) Stapelia gigantea nicht im Skript

41 Vorlesung, 18. Okt Sukkulenz und CAM: Konvergente Evolution Senecio rowleyanus (Asteraceae, Asterales) Senecio rowleyanus nicht im Skript

42 Vorlesung, 18. Okt Sukkulenz und CAM: Konvergente Evolution Acanthosycios horridus (Cucurbitaceae, Cucurbitales) Acanthosycios horridus nicht im Skript

43 Vorlesung, 18. Okt Sukkulenz und CAM: Konvergente Evolution Agave (Agavaceae, Liliales) Agave americanaAgave victoriae-reginae Agave nicht im Skript

44 Vorlesung, 18. Okt Sukkulenz und CAM: Konvergente Evolution Aloë (Liliaceae, Liliales) Aloe veraAloe dichotomaAloe ferox Aloe nicht im Skript

45 Vorlesung, 18. Okt Nutzpflanzen und CAM Ananas comosus (Bromeliaceae, Commelinales) Ananas comosus nicht im Skript

46 Vorlesung, 18. Okt Nutzpflanzen und CAM Vanilla planifolia (Orchidaceae, Orchidales) Vanilla planifolia nicht im Skript

47 Vorlesung, 18. Okt Unterschiedliche Mechanismen zur Freisetzung von CO 2 "Normalfall" "Spezialfall" (?) Unterschiedliche Typen /CO2-Freisetzung Skript – p. 32

48 Vorlesung, 18. Okt Freisetzung von CO2 durch PEP-Carboxykinase Assimilation von CO 2 Wieder-Freisetzung von CO 2 Pyruvat-P-Dikinase OxalacetatATPPEPADP Malat-Dehydrogenase PEP-Carboxykinase Skript – p. 30

49 Vorlesung, 18. Okt CO 2 -Fixation in der Nacht Mobilisierung von Stärke Glykolyse liefert C3 -Substrat (PEP) CO2-Fixation in der Nacht Skript – p. 33

50 Vorlesung, 18. Okt Malat-Decarboxylation am Tag... und Pyruvat-Phosphat-Dikinase Malat-Decarboxylation am Tag Skript – p. 33

51 Vorlesung, 18. Okt Regulation der PEP-Carboxylase Präzise reguliertes Schlüsselenzym Wichtiger Punkt: reversible Phosphorylierung Regulation der PEPC Skript – p. 34

52 Vorlesung, 18. Okt Endogene Rhythmik des CAM Skript – p. 34 Dauerlicht

53 Vorlesung, 18. Okt Überflutung - Sauerstoffmangel Epinastie: keine Welke Bedeutung von ACC und Ethylen bei der Signaltransduktion Bildung von ACC Freisetzung von Ethylen ACC Transport Überflutung - Sauerstoffmangel Skript – p. 35

54 Vorlesung, 18. Okt Lactat- und Alkoholgärung Milchsäure oder Alkohol? Vorteile und Nachteile bescheidener Energie- Gewinn - Alkohol kann wegdiffundieren - wegdiffundierter Alkohol kann nicht zurückgewonnen werden Lactat- und Alkohol-Gärung Skript – p. 35

55 Vorlesung, 18. Okt Anoxie-Toleranz Skript – p. 35

56 Vorlesung, 18. Okt Aerenchym-Bildung Zellinhalt stirbt ab: "Apoptose" zur Bildung eines Belüftungsgewebes Bei Mais: Ethylen induziert Aerenchym-Bildung Aerenchym-Bildung Skript – p. 36

57 Vorlesung, 18. Okt Belüftung der Rhizosphäre durch das Aerenchym Via Aerenchym diffundierender Sauerstoff erlaubt normale Atmung! Belüftung der Rhizosphäre Skript – p. 36 Sauerstoff in der Rhizosphäre verhindert die Bildung von "Bodentoxinen" (Mn 2+, Fe 2+ )! "Avoidance"!


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